この記事では、高周波（数十、数百メガヘルツ以上）で現れるセラミックコンデンサの機能について説明します。 この記事は、Johanson Technologyの研究に基づいています。
主に以下での使用に適したセラミックコンデンサに焦点を当てます。
- 高速デジタルデバイス（内部および外部干渉のフィルタリング）;
- 高周波デバイス（フィルタリング、RFマッチング、RF信号処理など）;
- 外部高周波干渉をフィルタリングするためのその他のデバイス。これは、電源回路と、無線通信デバイスおよびシステム、ラジオ局、パワーエレクトロニクスデバイスなどからの空気の両方を介して発生します。
このようなコンデンサの製造では、 NPOまたはCOGと呼ばれる特別な誘電体が使用されます。 これらの誘電体は、周囲温度と印加電圧に対するコンデンサの静電容量の弱い依存性を提供することで知られています。
ほとんどの場合、寸法を小さくするために、セラミックコンデンサは多層セラミックコンデンサの形で作られます-MLCC、多層セラミックコンデンサ 、その構造は次の図に示されています：
高周波セラミックコンデンサの生産における世界的リーダーの1つは、この資料の基礎となった材料であるJohanson Technologyです。
周波数が高くなるとコンデンサはどうなりますか？
動作周波数が増加すると、研究者が最初に直面する「特別な」周波数は、直列共振の周波数-SRF、直列共振周波数です。 物理学の過程で知られているように、これは、回路の全抵抗がゼロになるように、理想コンデンサのリアクタンスが直列接続された理想インダクタのリアクタンスによって補償される周波数です。 セラミックコンデンサの場合、直列共振の現象は、端子とコンデンサプレートの寄生インダクタンスの存在によって説明されます。 そして、私たちの場合のSRFは次のように注目に値します：
- 直列共振周波数（SRF）では、コンデンサの等価直列抵抗（ ESR、等価直列抵抗）と呼ばれる抵抗が最小になります。 この事実により、干渉のフィルタリングに使用できるコンデンサの代わりに狭帯域フィルターを取得できます。
- SRFよりも高い周波数では、コンデンサはインダクタンスのように動作します！ したがって、直列共振の周波数を超える周波数では、コンデンサは、 DC - DCブロッキングインダクタを許可しないインダクタンスであると言われることがあります。
周波数がさらに増加すると、多層コンデンサが比較的高い抵抗値を示すいくつかの周波数を観察できます。 このような周波数は、並列共振周波数-PRF、Parallel Resonant Frequencyと呼ばれます。 一連の並列共振の存在は、「DCブロッキングインダクタ」と並列に接続された浮遊容量の存在によって説明されます。
一般的な場合、実験データによると、最初の並列共振の周波数の大まかな推定値は、直列共振の周波数の値を2倍にすることで得られることに注意してください。
もう1つの興味深い事実は、プリント基板の表面に垂直ではない多層コンデンサーの内側プレートのプレートを配置するだけで、1つ目を含むすべての奇数周波数の並列共振を取り除くことができるということです！
導入された減衰の周波数依存性の例を、ヨハンソンが導いたプレートの配置の2つのオプションを見てください。
上の写真では、コンデンサプレートはプリント基板に平行で、下では垂直になっています。
PRFの奇数周波数の消失は、セラミックコンデンサのプレートとプリント回路基板間の浮遊容量の減少に関連していると想定されています。 しかし、なぜ、奇妙な共鳴が消え、偶数の共鳴が残るのでしょうか？ これについて何か考えがあれば-コメントしてください！
セラミックコンデンサの周波数SRFおよびPRFは非常に広い範囲にある可能性があるため、それらに関する情報は電子デバイスの設計において重要になります。
Johanson Technologyのドキュメントにはこれらの周波数の値が記載されており、PRF周波数は最初の並列共振の周波数に対応しています（コンデンサプレートは基板表面に平行です）。
Johanson Technology 0402コンデンサの一般的な共振周波数は次のとおりです。
Johanson Technology 0603コンデンサの典型的な共振周波数：
ご覧のとおり、共振周波数は、静電容量の増加とコンデンサのサイズの減少とともに、より低い周波数の領域に移動します。 そして、これは、このコンデンサが...コンデンサのように振る舞うことが必要な場合に動作周波数の範囲を狭めることにつながります！
実用的な推奨事項
- 「正しい」回路が適切に機能していない状況を除外するために使用されるコンデンサのドキュメントを注意深く読んでください。
- 高周波干渉をフィルタリングするために、低周波セラミックコンデンサ、未知の特性を持つコンデンサ（特に電解コンデンサ）を使用しないでください。
- 干渉の周波数範囲を決定し、これらの範囲に基づいてフィルタリングコンデンサを選択します。 高周波コンデンサの浮遊インダクタンスに匹敵する導体のインダクタンスを考慮してください。 導体のインダクタンスを計算するには、次の式を使用できます。
ここで、Lはインダクタンス、nH、xは導体の長さ、cm、wは導体の幅、cm、hは導体の高さです。参照
- 高周波プリント基板の配線規則については、電子部品メーカーのガイドラインに従ってください。
- 動作範囲を拡大するために、セラミックコンデンサを側面に取り付けることができます（最初の並列共振を除く）。
- 高周波回路では、使用するコンデンサの直列共振の周波数は、動作周波数範囲よりも大幅に高くする必要があります。 この考えをまとめるために、Johanson Technologyの専門家は、動作周波数が直列共振の周波数に近づくと、10 pFの容量のコンデンサが1000 pFの容量のコンデンサのように振舞ったときの自身の経験から例を示します。
デバイスが外部アンテナを備えたBluetooth、Wi-Fi、GSM、GPSなどのワイヤレスモジュールを使用する場合、通常、一致するプレースホルダーを設置するためのアンテナ回路の場所を提供することをお勧めします。 これにより、必要に応じてボードの高周波部分を簡単に調整できます。 このタスクを簡素化するために、Johanson Technologyは、 高周波コンポーネントに特別なキャッシュレジスタを使用することを提案しています 。これにより、RF回路のマッチングプロセスの時間が短縮されます。
